Gelöster Sauerstoff, auf Englisch Dissolved Oxygen oder kurz DO, ist einer der wichtigsten Parameter in der Wasseranalyse. Er beschreibt die Menge an Sauerstoffgas (O2), die in einer Flüssigkeit gelöst ist, und hat direkte Auswirkungen auf aquatische Ökosysteme, die Wasserqualität und viele industrielle Prozesse.
In diesem Artikel erfahren Sie, was gelöster Sauerstoff ist, welche Faktoren seinen Gehalt beeinflussen, welche Werte als normal gelten und wie DO in der Praxis gemessen wird.
Definition
Sauerstoff kommt in der Natur in vielen verschiedenen Formen vor. Im Wassermolekül (H2O) ist Sauerstoff chemisch an Wasserstoff gebunden. In Gesteinen und Mineralien ist er an Silizium, Kohlenstoff oder andere Elemente gebunden.
Molekularer Sauerstoff (O2), also der Sauerstoff den wir atmen, ist dagegen nicht an andere Elemente gebunden. Er ist chemisch reaktiv und kann von Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen zur Energiegewinnung durch Atmung genutzt werden.
Genau dieser molekulare Sauerstoff löst sich auch in Wasser. Die Menge an gelöstem O2 in einer Wasserprobe wird als DO-Gehalt bezeichnet und typischerweise in Milligramm pro Liter (mg/l) oder als Prozent der Sättigung (% Sat.) angegeben [1].
Wenn der Sauerstoffgehalt des Wassers der Sättigungskonzentration entspricht, spricht man von 100 % Sättigung. Beträgt der Sauerstoffgehalt in Süßwasser bei 25 °C beispielsweise 5,0 mg/l, entspricht das einer Sättigung von etwa 60 % (5,0 geteilt durch den Sättigungswert von 8,3 mg/l, multipliziert mit 100 %).
Wie gelangt Sauerstoff ins Wasser?
Sauerstoff gelangt auf zwei Hauptwegen ins Wasser:
Aus der Atmosphäre: Wasser nimmt O2 direkt aus der Luft auf, bis eine Gleichgewichtskonzentration erreicht ist. Turbulenz, Wind und Wellen beschleunigen diesen Prozess erheblich, weil sie die Kontaktfläche zwischen Wasser und Luft vergrößern [1].
Durch Photosynthese: Wasserpflanzen und Algen produzieren bei der Photosynthese Sauerstoff, der direkt ins Wasser abgegeben wird. Die Trübheit eines Gewässers beeinflusst dabei den DO-Gehalt, weil sie das Licht abschwächt, das auf Algen und Wasserpflanzen trifft [1].
Gleichzeitig wird Sauerstoff aus dem Wasser verbraucht: durch die Atmung von Fischen, Mikroorganismen und anderen Wasserlebewesen sowie durch den Abbau organischer Substanzen durch Bakterien und Pilze.
Was beeinflusst den Gehalt an gelöstem Sauerstoff?
Der DO-Gehalt eines Gewässers hängt von mehreren Faktoren ab. Die wichtigsten sind Temperatur, Salzgehalt und Druck.
Temperatur
Temperatur ist der stärkste Einflussfaktor auf die Sauerstofflöslichkeit. Kaltes Wasser kann deutlich mehr Sauerstoff lösen als warmes Wasser. Bei 0 °C liegt die Sättigungskonzentration in Süßwasser bei etwa 14,6 mg/l, bei 30 °C sinkt sie auf etwa 7,6 mg/l [1].
Das folgende Diagramm zeigt den Unterschied zwischen Süßwasser und Meerwasser über verschiedene Temperaturbereiche:
Steigende Wassertemperaturen, zum Beispiel durch Klimawandel oder industrielle Einleitungen, können den DO-Gehalt eines Gewässers erheblich senken und damit aquatische Lebewesen gefährden [3].
Salzgehalt
Salzwasser kann weniger Sauerstoff lösen als Süßwasser gleicher Temperatur. Wie im Diagramm zu sehen ist, liegt die Sauerstofflöslichkeit in Meerwasser bei jeder Temperatur deutlich unter der von Süßwasser [1]. Das ist besonders relevant für die Aquakultur, wo Salzgehalt und DO-Gehalt eng überwacht werden müssen.
Druck
Mit zunehmendem Luftdruck steigt auch die Sauerstofflöslichkeit im Wasser. In großen Höhen, wo der Luftdruck niedriger ist, enthält Wasser daher weniger gelösten Sauerstoff als auf Meereshöhe [1].
Welche DO-Werte gelten als normal?
Der DO-Gehalt variiert je nach Gewässertyp und Anwendung erheblich. Als allgemeine Orientierung gelten folgende Werte [1][2][3]:
| Anwendung / Gewässer | Typischer DO-Bereich |
|---|---|
| Süßwasser (25 °C, Sättigung) | ca. 8,3 mg/l |
| Gesunde Fließgewässer | 7 bis 12 mg/l |
| Aquakultur (optimal) | 6 bis 9 mg/l |
| Kritische Untergrenze für Fische | unter 3 mg/l |
| Anaerobe Bedingungen | unter 0,5 mg/l |
| Meerwasser (25 °C, Sättigung) | ca. 6,7 mg/l |
Ein DO-Wert unter 3 mg/l gilt für die meisten Fischarten als kritisch. Unter 1 mg/l spricht man von hypoxischen Bedingungen, die zum Absterben von Wasserorganismen führen können [3].
Wie wird gelöster Sauerstoff gemessen?
Es gibt drei grundlegende Methoden zur Messung von gelöstem Sauerstoff [1]:
Nasschemische Methode (Winkler-Titration)
Die Winkler-Titration ist die genaueste Methode zur DO-Bestimmung und gilt als Referenzverfahren. Eine Wasserprobe wird in einer speziellen Flasche gesammelt, die verhindert, dass die Probe mit Luft in Kontakt kommt. Anschließend werden chemische Reagenzien hinzugefügt und eine Titration durchgeführt, bis eine Farbreaktion das Ende des Sauerstoffverbrauchs anzeigt [1].
Der Nachteil: Die Methode erfordert sorgfältige Probennahme, spezielle Laborausrüstung und einen schnellen Transport ins Labor. Für Feldmessungen oder kontinuierliche Überwachung ist sie daher nicht geeignet.
Membransensoren (elektrochemisch)
Konventionelle Membransensoren arbeiten nach elektrochemischen Prinzipien. Eine Sonde mit Membran wird ins Wasser eingetaucht und misst den Sauerstoffgehalt durch eine chemische Reaktion an der Membranoberfläche.
Diese Sensoren sind für Feldmessungen geeignet, haben aber einige Nachteile: Die Membran und die Fülllösung müssen regelmäßig ausgetauscht werden. Außerdem benötigen polarografische Sensoren eine Aufwärmzeit und reagieren empfindlich auf die Fließgeschwindigkeit des Wassers [1].
Optische Sensoren
Optische DO-Sensoren arbeiten nach einem völlig anderen Prinzip. Blaues Licht aus der Sonde regt ein fluoreszierendes Material an, dessen Fluoreszenz durch Sauerstoffmoleküle im Wasser gelöscht wird. Je mehr Sauerstoff vorhanden ist, desto stärker wird die Fluoreszenz unterdrückt. Dieses Signal wird vom Gerät in einen DO-Wert umgerechnet [1].
Optische Sensoren haben gegenüber Membransensoren klare Vorteile:
- keine Membran und keine Fülllösung notwendig
- kein Aufwärmen vor der Messung
- nicht empfindlich gegenüber Fließgeschwindigkeit
- schnelle und stabile Messwerte
- deutlich geringerer Wartungsaufwand
Apera setzt in seinen DO-Messgeräten auf moderne optische Sensoren, die wartungsarm, robust und für den Einsatz in nahezu allen Umgebungen geeignet sind.
Zur Übersicht aller Apera DO-Messgeräte
Kalibrierung von DO-Messgeräten
Sowohl Membransensoren als auch optische Sensoren können mit Luft als Sauerstoffquelle kalibriert werden. Da die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre einen konstanten, bekannten Wert hat (20,9 %), eignet sich feuchtigkeitsgesättigte Luft als stabiler Kalibrierpunkt [1].
Für die Kalibrierung wird häufig eine Kappe mit wassergesättigter Luft verwendet. Alternativ kann Wasser, das mit Luft gesättigt ist, oder eine Standardlösung mit bekanntem Sauerstoffgehalt, bestimmt durch die Winkler-Methode, verwendet werden [1].
Warum ist die DO-Messung wichtig?
Aquakultur und Fischzucht: Fische und andere Wasserorganismen sind direkt auf gelösten Sauerstoff angewiesen. Ein zu niedriger DO-Wert führt zu Stress, reduziertem Wachstum und im schlimmsten Fall zum Massensterben. Eine kontinuierliche Überwachung ist in professionellen Anlagen unverzichtbar [2].
Umweltmonitoring: In natürlichen Gewässern ist der DO-Gehalt ein wichtiger Indikator für Verschmutzung. Organische Abfälle und Nährstoffeinträge fördern das Wachstum von Bakterien, die beim Abbau organischer Substanzen Sauerstoff verbrauchen und den DO-Gehalt senken [3].
Wasseraufbereitung: In der Trinkwasseraufbereitung und Abwasserbehandlung ist der DO-Gehalt ein wichtiger Steuerparameter für biologische Abbauprozesse.
Labor: Reproduzierbare DO-Messungen sind Voraussetzung für viele wissenschaftliche Experimente, zum Beispiel in der Biochemie oder Umweltwissenschaft [1].
Fazit
Gelöster Sauerstoff ist eine der wichtigsten Messgrößen in der Wasseranalyse. Sein Gehalt wird maßgeblich durch Temperatur, Salzgehalt und Druck beeinflusst und hat direkte Auswirkungen auf aquatische Lebewesen und viele industrielle Prozesse. Moderne optische Sensoren ermöglichen heute eine schnelle, wartungsarme und zuverlässige DO-Messung direkt vor Ort, ohne die Einschränkungen älterer Membransensoren.
Häufige Fragen zu gelöstem Sauerstoff
Was bedeutet DO in der Wasseranalyse?
DO steht für Dissolved Oxygen, also gelöster Sauerstoff. Es bezeichnet die Menge an molekularem Sauerstoff (O2), die in einer Flüssigkeit gelöst ist, und wird in mg/l oder als Prozent der Sättigung angegeben.
Warum enthält warmes Wasser weniger Sauerstoff?
Mit steigender Temperatur nimmt die Löslichkeit von Gasen in Wasser ab. Bei 0 °C liegt die Sättigungskonzentration in Süßwasser bei etwa 14,6 mg/l, bei 30 °C nur noch bei etwa 7,6 mg/l.
Welcher DO-Wert ist für Fische optimal?
Für die meisten Fischarten gelten DO-Werte zwischen 6 und 9 mg/l als optimal. Werte unter 3 mg/l sind kritisch und können zu Stress und erhöhter Sterblichkeit führen.
Warum enthält Meerwasser weniger Sauerstoff als Süßwasser?
Gelöste Salze verringern die Löslichkeit von Gasen im Wasser. Meerwasser hat daher bei gleicher Temperatur eine niedrigere Sauerstoffsättigung als Süßwasser.
Was ist der Unterschied zwischen Membransensor und optischem Sensor?
Membransensoren arbeiten elektrochemisch und benötigen regelmäßigen Membranwechsel sowie eine Aufwärmzeit. Optische Sensoren messen über Fluoreszenzlöschung, benötigen keine Membran oder Fülllösung und sind wartungsärmer und schneller.
Wie wird ein DO-Messgerät kalibriert?
Die Kalibrierung erfolgt meist mit feuchtigkeitsgesättigter Luft, da die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre mit 20,9 % konstant und bekannt ist. Alternativ können luftgesättigtes Wasser oder Standardlösungen verwendet werden.
Wie gelangt Sauerstoff ins Wasser?
Hauptsächlich durch Diffusion aus der Atmosphäre und durch Photosynthese von Wasserpflanzen und Algen. Turbulenz, Wind und Wellen beschleunigen die Sauerstoffaufnahme aus der Luft erheblich.
Verweise
[1] American Public Health Association (APHA) (2005) Standard methods for examination of water and wastewater, 21st edn. APHA, AWWA, WPCF, Washington.
[2] FAO. (2014). Site selection for aquaculture: Chemical features of water. Washington, DC: Fisheries and Aquaculture Department, www.fao.org.
[3] U.S. Environmental Protection Agency (1986) Ambient water quality criteria for dissolved oxygen. EPA 440/5-86-003.